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1、孙瞳煤矿72煤层首采工作面煤巷合理支护技术研究报告中国矿业大学矿业工程学院淮北矿业集团孙瞳煤矿2009年08月20日孙瞳煤矿72煤层O首采工作面煤巷合理支护技术)研究报告O目录O1 弓IW11.1 立项背景11.2 淮北矿区煤巷支护技术现状21.3 矿区煤巷支护存在主要问题31.4 孙瞳矿72煤层首采面特征及主采煤层赋存情况分析51.4.1 井田概况51.4.2 72煤层首采面特征61.4.3 I2煤层赋存分析61.5 研究内容、目标及方法72煤矿巷道支护理论及支护技术综述82.1 巷道锚杆支护理论概述82.1.1 悬吊理论82.1.2 组合梁理论92.1.3 组合拱理论102.1.4 基于水
2、平地应力的锚杆支护理论H2.1.5 围岩松动圈支护理论122.1.6 刚性梁”理论132.1.7 煤巷预应力锚杆支护理论132.2 巷道支护技术发展现状172.2.1 U型可缩性钢支架支护技术和壁后充填技术172.2.2 锚杆支护技术182.2.3 桁架锚杆支护技术192.2.4 锚索支护技术202.2.5 喷射混凝土支护技术202.2.6 锚注支护技术212.2.7 组合支护技术212.3 孙瞳矿新型煤巷强化控制原理与技术222.3.1 煤巷强化控制技术原理222.3.2 煤巷强化控制技术342.3.3 大断面煤巷掘进围岩稳定性分析402.3.4 大断面高地应力巷道支护基本原则与思想4124
3、小结423孙瞳矿首果72煤层巷道合理支护数值计算分析443.1 锚杆支护参数设计方法443.1.1 数值模拟分析方法443.1.2 FLAC应用程序简介453.1.3 模拟方法的选择463.2 数值模型的建立473.3 围岩及节理面力学参数483.4 数值模拟方案483.5 数值模拟方案与结论493.5.1 模拟方案493.5.2 7215工作面实体煤巷道494工业性试验过程534.1 基本地质概况534.2 实体巷道维护点574.3 切眼维护特点574.4 实体巷道锚杆支护参数设计584.4.1 支护方案的确定584.4.2 支护方案及参数594.4.3 锚杆支护施工工艺644.5 切眼锚杆
4、支护参数设计674.5.1 支护思路及技术路线674.5.2 特殊地段的处理674.5.3 支护方案及参数674.6 支护方案修改714.6.1 第一次风巷支护方案修改734.6.2 第二次风巷、机巷支护方案修改754.7 矿压监测及实施方案794.7.1 矿压观测内容794.7.2 实施方案804.7.3 矿压观测分析814.7.4 支护效果分析865课题结论87参考文献89计戈IJ任务书921引言1.1 立项背景煤巷支护作为矿区安全生产的重大基础性技术，国内外主要产煤国家都十分重视其系统研究和集成，美国、澳大利亚全面地把握了锚杆支护技术所涉及的各个方面，不仅重视锚杆支护设计和施工管理等软件
5、，而且强调锚杆机具特点和锚杆加工性能等硬件，坚持科学管理，严格质量监测，并有一套可靠的监测手段，因而确保了大面积使用中的安全可靠。对比使用条件，国外煤巷锚杆支护主要使用在煤质中硬以上的煤层中，而我国煤巷锚杆支护不仅在煤质中硬、围岩稳定程度较高的I、H、Iln类回采巷道中使用,而且必须在软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下使用，才能带来综合优势，这就需要解决很多复杂的技术问题，安全可靠性问题也就更加突出。其中煤矿巷道围岩的多变性和支护质量的隐蔽性带来了一定的隐患，特别是对于地质条件恶劣、煤体强度很低、受多次采动高应力作用的煤巷来说，锚杆支护更是一把双刃剑，是存在相当安全隐患的隐蔽性工
6、程，处理不当极易造成各类事故。淮北矿区在20世纪90年代中后期很好地把握了世纪之交的采掘技术发展态势，紧紧围绕采掘工艺改革，大力开展技术创新工作，新型煤巷锚杆支护应用技术研究和推广应用取得突破性进展，淮北矿业集团于2002年底建立了煤巷高强预应力成套应用支护技术体系和安全质量保障体系，具体解决了很多典型的煤巷锚杆支护技术难题，开展了煤巷分类及合理支护技术方案及参数研究，并制定了技术管理规范、企业标准、设计规范等一系列技术管理文件，极大地推动了矿区支护技术改革。截止2003年己累计完成40余万米，没有发生重伤以上事故，取得显著的技术经济效益、安全效益和社会效益，整体安全状况居于全行业领先水平。近
7、年来矿区从总体上摆脱了煤巷支护依赖于矿用工字钢梯形支架和U型钢拱形可缩支架的被动局面，煤巷锚杆支护技术取得了实质性进展和非常明显的成果。从另一方面看，淮北矿区年巷道掘进工程近25万余米，随着南部新建矿井的投产、生产矿井的快速延伸，开采深度加大，岩体应力急剧增加，复合型煤巷的支护比重加大，当时形成的煤巷支护技术主要解决了埋深在-500-600m以上各类围岩条件相对较好、构造应力显现不突出的常规煤巷支护问题，在矿区仍占较大比重的顶板结构复杂区域、区域构造应力突显区域、整体围岩强度恶化、邻近区段开采影响、沿空掘巷等多种因素综合作用下的煤巷（称复合型煤巷）采用现有支护技术效果仍不理想。这类巷道比重占全
8、矿区煤巷的20%30%,制约生产安全的矛盾仍十分突出，是矿区煤巷支护成本居高不下，维护状况恶劣的主要原因。同时矿区内地质条件相差很大，对新技术的掌握程度也不相同，发展很不平衡，安全隐患和技术漏洞还很多，安全事故偶有发生，并在部分矿井动摇了这一技术的进一步应用。但是，随着矿区的不断发展，新区的多对矿井逐渐进入投产阶段，许多矿井首采工作面首采煤层的巷道合理支护技术显得尤为重要。因此，开展淮北矿区孙瞳煤矿首采煤层巷道巷里支护技术研究非常有必要，对淮北矿区支护技术的进一步发展具有重要推动作用。本课题研究在充分借鉴国内近年煤巷支护技术新成果的基础上，以孙瞳煤矿首采煤层首采工作面开展的典型煤巷具体成果为基
9、础，形成针对孙噱矿72煤层巷道的合理支护技术体系。1.2 淮北矿区煤巷支护技术现状1）支护技术手段升级（1）大力实施和推广高强预应力锚杆支护技术，提高了煤锚支护技术水平。应用大直径锚索、长锚杆联合支护技术，推动了岩巷锚喷支护技术发展。矿井支护工艺改革后，高强预应力树脂锚杆在煤（岩）巷中得到推广应用，但锚杆参数没有太大改变，锚杆长度多为L82.2m,直径20mm。对于软煤（岩）巷道，围岩松动圈大，已经不能满足软煤（岩）控制的需要。（2）提高棚式支架支护强度，支护形式向多样化发展。传统的工字钢梯形棚被动式支护，抗压强度低，尤其是随着采掘机械化程度的提高，提出了“系统大能力，巷道大断面”的要求，使得
10、工字钢梯形棚已不再适用于高地压煤巷。（3）锚喷技术与全封闭U型棚联合支护技术获得应用。有效控制了底鼓破坏，提高了巷道的整体稳定性。在高地压软煤（岩）巷道中，不论是锚喷与锚索、锚注，还是锚喷与架棚，都较好地贯彻了“联合支护”的软岩治理思想，实现多种支护形式的联合，基本达到了控制围岩的目的。2）设计思想更加科学，为治理提供了技术保障围岩治理坚持综合治理原则，设计上从优化巷道布置、合理选择巷道层位入手，注重分析巷道破坏原因、维护特点、巷道所处地质条件、周边开采环境，基于科学分析的基础上，提出最佳支护设计方案。在工程设计时不仅要考虑设计方案的技术经济性，还要考虑到巷道服务期采动影响下的维护效果等，改变
11、了以往简单类比或相互套用的设计思路，设计思路得到改进。以下一些科学认知在设计中得到体现。（1）单一的支护形式不适用于高地压软煤（岩）巷道，必须坚持“因地制宜、联合支护”的原则。从已治理的巷道看，煤巷锚带网作为基本支护形式，联合锚索、桁架、锚索梁、锚注或架棚等联合支护手段。针对具体的围岩条件，合理选择支护形式及组合关系，可以有效地控制高地压围岩的剧烈变形。（2）锚杆、锚索支护的优越性普遍得到认同。锚杆支护作为主动支护，调动围岩的自承载能力，是软煤（岩）巷道一次支护的首选支护形式。锚索支护是将围岩应力移至深部的有效手段，并实现与锚杆支护的耦合，是软煤（岩）巷道支护技术发展的主流之一。科学设计锚杆（
12、索）支护参数，选择好其他支护形式的组合，是软煤（岩）治理重要技术手段。（3）围岩改性和支护结构改进，相辅相承，共同作用，可发挥出最佳支护效果。围岩改性的重点是水患治理和提高围岩的自承载能力，堵水治水防止围岩泥化是围岩治理的关键之一。改进支护结构，实现主件与辅件、支与护、主动与被动的合理匹配，可有效提高支护体系的承载能力。3）施工工艺研究受到重视，并取得进展，提高了治理的效果围岩治理工程支护工艺相对较复杂，治理手段各不相同，对施工工艺的要求相对较高，在施工安排上，已经注意到巷道施工的合理排序，最大程度地减少施工应力对临近巷道的扰动。选择什么样的断面形状；如何改进巷道成型控制；围岩补强的方式、手段
13、；底鼓的治理等，这些都需要通过工艺改进来实现，在围岩治理中孙瞳矿都进行了积极的探索。断面形状上采用了全圆形、方环形、马蹄形等全封闭断面。施工控制上，通过改进挖掘方式或爆破控制来减少对围岩的破坏。通过喷浆封闭或注浆补强来实现支护结构与围岩的密帖，发挥“围岩-支护”体系的最大承载能力。支护结构上，可缩性支架应用高阻限位卡缆技术、壁后充填、水泥背板改为钢筋网和铁背板并进行喷浆封闭，实现支护主体与辅件合理匹配，提高了支护结构体的性能。机具材料上，应用大功率施工机具、大直径锚索、高强度钢带、马丽散化学注浆材料等新设备、新材料，为实现软岩治理的技术方案找到了可靠的途径。1.3矿区煤巷支护存在主要问题1）认
14、识上存在偏差总认为要解决软煤（岩）支护问题，主要的手段和途径就是提高支护的强度和刚度。不可否认，在围岩综合治理前，我们的巷道支护强度是低的，这也是造成巷道大量损坏的根本原因。前人的工程实践已经证明，对软煤（岩）巷道单一地提高支护的强度和刚度是得不偿失的，而且支护体的强度和刚度越高，巷道支护反而更容易受到破坏。新奥法明确提出：任何人工构筑物都不可能抵御自然的压力。协调支护理论指出：要保证软煤（岩）巷道的支护安全，必须做到支护与围岩变化的协调。新奥法还提出了支护不是一个工序，而是一个过程的思想。支护不是一劳永逸的，它融合于巷道的服务周期之内，有巷道的存在就有支护。必须通过长期的巷道变形受力观测，不
15、断地对支护结构进行调整和加固。虽然锚杆支护的先进性得到认可，但一旦遇到具体问题，不知不觉中旧有的支护观点仍在左右我们的思维。条件好时采用锚杆支护，条件差时首先想到的不是如何提高支护强度，而是退回到架棚支护的老路上去，部分南部矿井高地压复杂条件煤巷一直依赖于棚式支护的状况没有根本改善。2）重进尺、轻治理现象依然存在部分巷道工程未能严格执行治理技术方案，主要原因是担心工艺复杂给工程进度造成影响，给施工管理带来难度，对治理方案能否有效心存顾虑。3）治理技术手段的综合应用不够a前的治理较注重支护形式的选择和施工工艺的改进，除此之外的治理手段应用不够，如围岩改性、卸压技术、锚注技术等。锚注支护是提高围岩
16、自承载能力的有效手段之一，在治理实施方案都有要求，但由于工艺操作有一定难度，推广应用还不够。卸压技术基本未在治理中应用。同一条巷道内围岩条件不可能一样，有破碎带、有淋水带，有软岩、有硬岩，而部分巷道的治理仍不能采取针对性的治理手段，不能根据条件变化而及时改进支护设计。当掘进巷道后路出现支护强度不足或效果不理想时，不能及时采取补强措施。4）监测监控开展不正常对监测监控在软煤（岩）支护中的作用认识不清。新奥法提出巷道监测监控是软煤（岩）支护的基础，根据巷道变形量及受力状况的观测和分析，及时对支护方式和支护强度进行调整。目前各矿对治理巷道的支护受力和变形量监测仍是宏观的和经验的，监测手段单一，监测仪
17、器设备的投入不足，布点不合理，日常观测记录不正常，即使进行了观测也只是局限在掘进期间，巷道在回采期间或动压条件下的观测未能开展。对监测数据不分析、不处理，更没有总结和利用。5）支护材料的加工、管理和规范等尚存在一些问题锚杆支护材料的性能尚不能完全满足复杂条件的支护要求，研制和升级的工作动力不足、力度不大，内部市场由过去的技术引导性机制转变为人为分割型，技术部门的参与和监督力度减弱；U型钢加工粗糙，对接段几何形状不能满足滑动要求，卡缆强度低、滑动性能差，支架不可缩，壁后充填不实，承载分布不均，U型钢支护的整体性能远未发挥；虽然坚持实行了定点加工的政策，但是外围队伍、基建施工用料等尚有漏洞；菱形金
18、属网、钢筋笆片、钢带等附件材料性能差，导致锚杆支护整体抗变形差，急需在新一轮支护改革中在解决，为推动这项工作，为必要在支护设计中明确支护产品性能的要求，鼓励开发研制新型产品，并严格执行。6）施工队伍的技术素质有待提高支护观念在改变，支护的技术和手段也不断丰富和发展，而部分职工队伍素质仍停留在原有单一支护的技术水平和操作水平上，特别是基层管理干部还不能很好理解和掌握治理技术方案的实质，技术关键，对技术要求把握不准，对新工艺操作不熟练，对施工工序的安排和组织仍停留在以前的水平上，对工程质量的控制仍视为一般巷道，因而造成技术方案落实上有差距，也是围岩治理工程掘进单进难以提高，治理效果不理想的主要因素
19、之一。7）复杂条件下围岩治理还需进一步研究煤巷治理中的一些沿空巷道或近距离煤层巷道，基于高强预应力锚杆支护体系的治理未能取得较理想的效果，其支护问题还需进一步进行治理研究。1.4孙瞳矿72煤层首采面特征及主采煤层赋存情况分析1.4.1 井田概况地层：孙瞳井田为全隐蔽含煤区，钻探所及地层由老到新依次有奥陶系、石炭系、二叠系和新生界。构造：本井田位于淮北煤田中部童亭背斜东翼之北段，总体构造形态为一走向近南北、倾向东、倾角1020。（一般为17）且沿走向略有扭曲的简单单斜。据精查地质报告，全井田共发现正断层28条，其中最大落差大于等于100m的9条，小于100m而大于等于50m的6条，小于50m而大
20、于等于20m的13条。断层的延展方向绝大多数为北东向，少数为近东西向，从而将井田切割成多个宽窄不等的条块。煤层：本井田含煤地层为华北型石炭、二叠系，其中二叠系的山西组和上、下石盒子组为主要含煤层段。井田内主要含煤层段总厚约990m,共含自上而下编号为1、2、3、4、5、6、7、8、10计9个煤组30余层煤，煤层平均总厚11.22m,含煤系数为1.1%;其中31、32、5、72、82和10为可采煤层，平均总厚10.15m,约占煤层平均总厚的90%;而72、82和10为主要可采煤层，平均总厚6.39m,约占可采煤层平均总厚的63%。煤质：本井田各可采煤层以低中高灰、特低低中硫、特低低磷、中高高挥发
21、分、高特高热值和具中强粘结性的1/3焦煤为主，气煤次之；主要可作炼焦配煤，也可用于工业锅炉燃烧。瓦斯：井田瓦斯测试资料表明，瓦斯成分和瓦斯含量的两极值分别为&3292.38%和0.188.33m3t地质精查报告认为：本井田的瓦斯风化带底界大致位于地表下垂深500m处。水文地质：本井田二叠纪煤系主要由砂岩、泥岩、粉砂岩和煤层等组成，且以泥岩、粉砂岩居多。根据可采煤层的赋存位置，可将二叠纪煤系大致分为3煤上隔水层（段）、34煤间含水层（段）、45煤下隔水层（段）、78煤上下含水层（段）、8煤下10煤上隔水层（段）、10煤上下含水层（段）和10煤下太灰间隔水层（段）。一般情况下，含水层（段）砂岩裂隙
22、不甚发育，富水性较弱，地下水主要受区域层间径流补给，且补给水源不足，以储存量为主；而隔水层（段）则除10煤下太灰间这一区段局部受断层影响，导致彼此间距缩小、隔水性能较差以外，其余均具良好的隔水作用。岩浆岩：燕山早、中期的岩浆岩主要分布在井田北部的7、8煤组中。岩浆由北向南顺层侵入，所及之处，往往使烟煤变为无烟煤甚至天然焦，或使煤层结构变复杂、煤层变薄乃至被吞蚀。1.4.272煤层忏采而（721511）工作面概况面长184m,走向长度1385m,煤厚平均约1.9m,容重L4,F=0.4,工作面可采储量66.3万吨。工作面切眼1015,走向倾角415;最大俯采倾角15,长度约400米。据三维地震资
23、料，本面内共发现7条断层，落差2）工作面地质概况煤层及顶底板：7215工作面共有6个钻孔，煤厚1.22m2.5m,平均厚L9m,其中煤厚为1.22m沿走向长约300m,煤厚为2.5m沿走向长约250m。72煤直接顶为泥岩,厚为0.3m1.43m,平均0.8m。上层71煤发育不稳定，煤厚（TLIm,平均0.7m,直接顶为泥岩，厚为06m,老顶为泥岩、粉砂岩及细砂岩，厚度为315m07、I2煤（含夹砰）总厚1.974.1m,其中厚度H2m、2mH3m各有1个孔，3mH3.5m及3.5mH4.Im各的有2个孔，分别占钻孔总数的百分比为17%、17%、33%、33%。72煤直接底一般为泥岩，厚09.3
24、m,老底为泥岩、粉砂岩、细砂岩及粗砂岩，厚220m0工作面瓦斯：据精查报告，本工作面属瓦斯风化带，合肥院按高瓦斯矿井设计，从实揭看煤层瓦斯较大。水文地质：工作面回采受顶板砂岩裂隙水影响，巷道实揭顶板涌水厂2m3h1. 4.37z煤层赋存分析1）煤层结构：根据矿井可采块段72个钻孔资料统计，井田内72煤层属复杂结构煤层，夹肝发育，多数为复合顶板，层厚0.74.42m,平均厚L94m;考虑煤层伪顶及71煤厚0.74.64m,平均厚2.4m。煤层平均视密度L39g/cm3。2）顶底板情况：据钻孔资料统计，该煤层顶底板主要为泥岩、粉砂岩及中、细粒砂岩，其中：煤层直接顶为泥岩44个孔、粉砂岩12个孔、中
25、细粒砂岩16个孔分别占61%.16.7%和22.2%;老顶为泥岩30个孔、粉砂岩20个孔、中细粒砂岩22个孔分别占41.7%、27.8%和30.5%。从井下实揭资料看，煤层顶板中细粒砂岩有淋水现象。1.5研究内容、目标及方法煤巷锚杆支护的推广试验工作涉及到锚杆支护技术的各个环节，涉及到对成熟技术的准确把握，地质条件的细微变化（特别是涉及到顶板弱而位置、厚度等赋存状况的变化）、支护产品性能的降低（特别是涉及到预拉力的实现）、施工质量的滑坡、安全监测的形式化等都可能导致支护效果的衰减甚至冒顶事故的发生。课题计划以孙瞳矿首采煤层巷道支护问题为研究对象，从推广应用中存在的问题出发，采用综合研究手段深入
26、剖析近年开展的煤巷支护技术成果，开展系统研究，形成孙瞳矿72煤层巷道合理支护技术。研究工作主要在孙瞳矿首采72煤层开展，分三阶段完成：第一阶段主要围绕首采煤层围岩条件分类；第二阶段提出并研究围岩稳定的判断条件和支护对策；第三阶段通过工程实践修改和完善稳定条件和支护对策。研究内容和预期目标：利用实验室岩石性质力学测试、数值计算、理论分析及综合分类，结合现场工程实践展开研究，最终孙瞳矿首采煤层巷道合理的控制原理和控制技术。2煤矿巷道支护理论及支护技术综述正确地设计和应用锚杆支护，必须有完善的锚杆支护理论作为指导。传统的锚杆支护理论有：悬吊理论、组合拱理论、组合梁理论，松动圈理论。近年来，锚杆支护理
27、论研究有了进一步的发展，基于水平地应力对巷道围岩稳定性的作用，提出最大水平应力理论、“刚性梁”理论，基于锚杆对破裂岩体的加固作用，提出巷道围岩强度强化理论。这些理论都从各自的角度认识锚杆支护的规律，揭示锚杆的作用效果，都有一定的指导意义。课题组自2000年以来针对结构复杂的离层破碎型煤巷顶板提出了极易离层破碎型煤巷围岩预应力控制技术，针对性地解决了离层破碎型煤巷锚杆支护的顶板稳定性问题；近年来，针对深部、复杂条件锚杆支护，展开深入研究，提出锚杆强化控制技术原理和技术体系，该系统对煤巷支护实践具有直接而明确的指导意义，便于矿井生产技术人员接受。为便于分析比较，首先简述几个常规的支护理论。2.1
28、巷道锚杆支护理论概述2.1.1 悬吊理论19521962年，LOUiSAPanek通过理论分析、实验室实验及现场测试，提出了锚杆的悬吊理论，该理论认为：锚杆支护的作用就是将巷道顶板较为软弱的岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。图2T悬吊理论对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减少和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的。当巷道浅部围岩松软破碎，或开掘巷道后应力重新分布，顶板出现松动破裂区，这时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。
29、悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过程中不考虑岩层的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定的差距。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。如果顶板中没有坚硬稳定岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破裂区范围较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或未松动岩层上，悬吊理论就不适用。悬吊是最早的锚杆支护理论，它具有直观、易懂及使用方便等特点特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下部存在松散、破碎岩层的条件下这种支护理论应用比较广泛。但是，该理论存在以下明显缺陷：(1)锚杆只有在当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下才受力，受力大小等于破碎岩层的重量，而这种情况在实际中并不多见。
30、(2)没有考虑锚杆安设后对破碎岩层变形和离层的控制作用。特别是当水平应力比较大时，顶板离层将增大。为持顶板的稳定性，锚杆工作阻力必须增大。(3)没有考虑破碎岩层经过锚杆作用后其自身的承载能力。事实上破碎岩层经锚杆作用后，锚杆提供的径向和切向约束会不同程度地提高破碎岩层的整体强度，使其具有一定的承载能力，从而减小锚杆受力。2.1.2组合梁理论1952年，德国JaCobiO等发表了锚杆组合梁作用理论，该理论认为：在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用处于次要地位。图2-2组合梁理论如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间
31、的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪强度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层(组合梁)。这种组合厚岩层在上覆岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小。组合梁理论是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作用与围岩的自稳作用分开，与实际情况有一定的差距，并且随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。组合梁理论充分考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，原理上对锚杆作用分析得比较
32、全面，在顶板比较完整且层状岩体中得到广泛应用，但是它存在以下明显缺陷：(1)组合梁有效组合厚度很难确定。它涉及到影响锚杆支护的众多因素，目前还没有一种方法能比较可靠地估计有效组合厚度。(2)没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆载荷的作用。其实，在水平应力较大的巷道中，水平应力是顶板破坏、失稳的主要原因。2.1.3组合拱理论早在1955年，TLVRabCeWiCZ就提出安装锚杆后使巷道围岩中形成连续的压缩带，锚杆的作用是使围岩中产生一定厚度的压缩带承受围岩压力的观点。70年代初美国TALang和Pender提出锚杆的拱形压缩带作用原理，TALang通过二次元光弹性试验证实了拱形压缩带的存在
33、。拱形压缩带作用即组合拱理论。图2-3组合拱理论组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱(亦称组合拱或压缩拱)，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应增大。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支撑能力的提高。组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，但在分析过程中
34、没有深入考虑围岩一支护的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单相加，从而得到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，一般不能作为准确的定量设计，但可以作为锚杆加固设计和施工的重要参考。由于压缩拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到较为广泛的应用。但是这种理论同样存在一些明显的缺陷：(1)加固拱厚度涉及的影响因素很多，很难较准确地估计。(2)当加固拱厚度远小于巷道跨度时，加固拱是否发生破坏不仅与其强度有关，更主要取决于加固拱的稳定性，而在该理论中没有考虑。2.1.4 基于水平地应力的锚杆支护理论自从八十年代以来，水
35、平应力对巷道稳定性的影响已经引起了人们的普遍关注。澳大利亚W.Gale博士(1987)通过数值模拟分析及现场观测，得出矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.52.5倍。并认为巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，得到了水平应力对巷道稳定性的最基本认识：巷道轴向与最大主应力方向平行时，巷道受水平应力的影响最小，顶底板稳定性最好；二者垂直时，巷道受水平应力的影响最大，顶底板稳定性最差；二者呈一定夹角时，巷道其中一侧会出现水平应力集中而另一侧应力较低，因而顶底板的变形会偏向巷道的某一侧。并提出在最大水平地应力的作用下，顶底板岩层易于发生剪
36、切破坏，出现错动与松动而造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此要求锚杆必须具有强度大、刚度大、抗剪切阻力大的特点才能起到约束围岩变形的作用。虽然，最大水平地应力理论提出了水平地应力对巷道稳定性的影响，但在锚杆支护参数设计中如何考虑水平地应力的作用等方面存在如下的问题：（1）由于周边工作面、巷道、碉室等开挖活动的影响，巷道周边的应力状态要发生改变，同时水平应力具有明显的方向性，水平应力方向特别是最大水平应力方向与巷道轴向的夹角对顶板稳定性有着密切的关系。所以，锚杆参数设计是一个三维问题，即必须采用三维地质力学模型来进行锚杆支护参数设计，现场中真正能够简化
37、为二维问题的特例并不多。最大水平地应力理论的锚杆参数设计方法仍然采用简化的二维地质力学模型，无法对锚杆的排距进行设计。（2）没有将锚杆预应力作为锚杆支护设计的参数。与预应力锚杆相比，无预应力锚杆是一种被动的支护形式，只有当巷道顶板弯曲下沉以后，锚杆才受力起作用，但此时由于水平应力的作用，巷道顶板非常容易产生压杆失稳现象，导致拉伸破坏，引起巷道的冒顶。（3）现场观测表明：水平应力对于巷道的破坏形式主要是引起顶板离层，进而引起顶板的弯曲下沉、垮落，当巷道顶板围岩产生离层以后，顶板的承载能力将大幅度下降。所以，在锚杆支护参数设计中，应将巷道顶板是否离层作为巷道稳定性判别的标准。最大水平地应力理论判断
38、巷道稳定性的标准为巷道围岩变形量的大小，由于不同岩性所允许的变形量差别很大，所以为准确判断巷道的稳定性带来了麻烦。2.1.5 围岩松动圈支护理论围岩松动圈巷道锚杆支护理论是基于煤矿生产中大量的地下工程都是在围岩破坏和发展中支护的客观实际状况而提出的，该理论在对围岩状态进行深入研究后，发现松动圈的厚度值如是围岩应力P与围岩强度R的复杂函数，即1.p=f（P,R）是一个综合性指标，它的大小反映了支护的难易程度，而且大量的相似模拟试验及现场实测表明，它与煤矿巷道的跨度（一般35m范围）及有无支护等关系不大，巷道支护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中的碎胀变形力。当采用锚杆支护时，锚杆受拉是由围岩
39、松动圈的发生和发展而引起的。围岩松动圈理论认为：（1）地应力与围岩相互作用会产生围岩松动圈；（2）松动圈形成过程中产生的碎胀力及其所造成的有害变形是巷道支护的主要对象，松动圈尺寸越大，巷道收敛变形也越大，支护越困难；（3）依据松动圈的大小采用不同的原理设计锚杆支护。小松动圈（040Cm）采用喷射混凝土支护即可；中松动圈（40150Cm）采用悬吊理论设计锚杆支护；大松动圈（150Cln）采用组合拱原理设计锚杆支护参数。松动圈支护理论对于锚杆支护的指导作用主要在于确定普通锚杆（如普通圆钢锚杆、水泥药卷锚杆等等）的适用条件和范围。2.1.6 “刚性梁”理论该理论是基于岩体中存在的水平应力，由美国的郭
40、颂博士提出的。其主要内容有：（1）锚杆预应力大小对顶板的稳定性具有决定作用。当预应力达到一定程度时，锚杆长度范围内的顶板离层得到控制，建立了刚性梁顶板，它本身形成一个压力自撑结构。（2）刚性两顶板可充分利用水平应力来维护顶板的稳定性。水平应力的存在，在一定程度上保护着顶板，使其代表顶板岩层处于横向压缩状态。（3）在“刚性梁”顶板的条件下，顶板的垂直应力被转移到巷道两侧煤体纵深，巷道两侧的压力减少。与无预应力锚杆支护的“先护帮，后护顶”的原则相反，该理论主张“先护顶，后护帮”的原则。在一定的极限范围内顶板的稳定性与巷道宽度关系不大。以此理论为指导，进行锚杆支护设计，可以极大地增大锚杆排距，从而降
41、低巷道支护成本，提高巷道掘进速度。要使巷道顶板“刚性化”的关键就是大力提高锚杆安装时的预应力。2.1.7 煤巷预应力锚杆支护理论1）层状顶板预应力支护结构的概念众所周知，巷道开挖后在围岩很小变形时（约在破坏载荷的25%以下），脆性特征明显的岩体就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象，使围岩强度大大弱化。如果巷道开挖后立即安装锚杆，但未施加预拉力，由于锚杆极限变形量大于围岩极限变形量，又由于各类锚杆都有一定的初始滑移量，因而锚杆不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。只有当围岩的开裂位移达到相当的程度（在钢筋混凝土中达到极限载荷的60%75%）以后，锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用，这时围岩已几乎丧失
42、抗拉和抗剪的能力，加固体的抗拉和抗剪主要依靠锚杆的抗拉和抗剪能力。也就是说，这里围岩和锚杆不同步承载，先是围岩受力破坏，达到一定程度，锚杆开始承载，在目前的开采深度不大和非强烈构造应力区，这种矛盾常常不突出，支护的成功掩盖问题的实质。如果在安装锚杆的同时，立即施加足够的预拉力，不仅消除了锚杆支护系统的初始滑移量，而且给围岩一定的预压应力，改善围岩的应力环境：对于受拉截面来说，可以抵消一部分拉应力，从而大大提高抗拉能力；对于受剪截面，由于压应力产生的摩擦力，大大提高了加固体的抗剪能力。因此及时施加预拉力直接避免巷道围岩过早出现张开裂缝，可以大大减缓围岩的弱化过程，岩体利用自身强度及时参与承载过程
43、，即形成整体承载结构，保证了巷道的长期稳定。与主动锚杆支护相比，普通无预拉力被动锚杆支护旨在建立“钢”性顶板，即每一排使用尽量多的锚杆，行间距和排间距都很小，有使顶板“钢铁化”的势态。被动锚杆支护能保证在锚杆长度范围内离层变形后产生很大的支护抗力，但因顶板已发生离层，这种抗力已无助于恢复或提高顶板总体的抗剪强度。尽管锚杆长度范围内的顶板“钢”性化，但避免不了在锚杆长度以外的顶板中发生离层，出现垮冒，实际上这种现象经常发生。勿（a）预拉力锚杆支护（b）普通高强锚杆支护图2-5主被动锚杆的支护效果据统计，我国高强锚杆的推广应用中，冒顶的比重占总进尺的万分之五左右，安全可靠性尚不能满足煤矿生产的实际
44、需要。我国现在锚杆间排距普遍在0.60.8m之间，即使杆体强度再高，实践中时有锚固区整体离层破坏甚至垮冒，而锚杆实际受力却很小的现象，这促使我们思考如何发挥锚杆的作用，并避免这类现象发生。由此提出煤巷支护预应力结构的概念：在施工安装过程中，及时给锚杆或其他支护构件以很高的张拉力，并传递到层状顶板，使顶板岩层在水平应力作用下处于横向压缩状态，从而阻止高水平应力对顶板围岩体的破坏，消除弱面离层现象，减缓两帮围岩的应力集中，阻止岩体破坏进程，从根本上维持围岩稳定。这种“柔性化”的压力自撑结构就叫顶板预应力结构。2）层状顶板预应力结构理论（1）预拉力（或称初撑力）的大小对顶板稳定性具有决定性的作用。在
45、高水平应力条件下顶板表面的剪切破坏是不可避免的，但当预拉力大到一定程度时，通过建立顶板预应力结构可提高顶板整体的抗剪强度，使其破坏不向顶板纵深方向发展。并且使顶板岩层处于横向压缩的状态，形成预应力承载结构。图2-6预应力状态与顶板变形特征H图2-7主动支护条件下顶板沿垂直方向典型的应变线示意图(2)在一定条件下，水平应力的存在有利于巷道顶板的稳定。所以，当最大水平应力与巷道轴向垂直时，巷道不一定难以维护，通过对锚杆施加较大的预拉力可以充分利用水平应力来维护顶板稳定性；当最大水平应力与巷道轴向平行时，巷道不一定容易维护，关键是巷道围岩本身的强度与水平地应力的比值及锚杆预拉力的大小。在水平应力大的
46、条件下，高预拉力的短锚杆比无预拉力的长锚杆会起到更好的支护效果。(3)锚杆参数利预拉力的合理配置可以使锚杆长度之内和锚杆长度之外的上覆顶板岩层都不存在离层破坏。当预拉力达到一定值后顶板岩层在不同的层位会出现一定的正应变和负应变，其累计值还不足以造成明显的顶板下沉，即预应力结构(梁)可以做到不出现横向弯曲变形，只有纵向的微小的膨胀和压缩变形。(4)当锚杆预拉力达到一定程度后，预应力顶板将使得两帮垂直压力均化到巷道两侧纵深，巷道两侧的压力减少，片帮的现象缓和，两帮的维护将变得相对简单与被动锚杆支护原则“先护帮，后控顶”相对照，主动锚杆支护的原则是“先控顶，后护帮”。其实帮部围岩的稳定可以同比顶部分
47、析，并无更多的特殊性，只是由于对顶板的安全可靠性要求更高而强调一些。层状赋存松散煤体巷道应该遵循“帮顶同治”的原则。图2-8顶板载荷的传递模式（5）顶板的稳定性与垂直压力关系不大，比如采深因素、长壁工作面超前垂直支承压力等对顶板稳定性影响较小；在一定极限范围内，顶板的稳定性与巷道宽度关系不大。传统上认为巷道宽度越大，顶板稳定性越差，这一思想仅适合于被动支护（棚子和锚杆），因为在此条件下顶板中部的拉应力越大，顶板拉破坏的可能性也就越大。预应力结构（梁）顶板的形成杜绝了顶板发生拉破坏的可能。（6）在同等地质条件下，提高锚杆预拉力可以进一步增加锚杆间排距，减少锚杆用量，降低巷道支护成本，为提高巷道掘进速度创造条件。（7）施工机具、施工工艺和锚杆结构及加工等方面的研究应以实现高预拉力为中心。3）预应力结构判断标准传统的支撑式巷道支护是从围岩外部提供围岩支撑力，而锚杆则是在围岩内部进行加固，形成了围岩一锚杆的整体承载结构，并充分利用围岩的自承能力，这是关于锚杆支护的经典论述，但整体承载结构的形成不是没有条件的，己有的工程实践表明，大多数普通锚杆（无初锚力或初锚力极低）和围岩不能形成可靠的共同承载结构。顶板预应力结构的形成需要以下条件：D支护构件安装时能够提供一个明确的作用力，其绝对值应明显大于松动岩体的重量，这种主动施加的作用力
